Аракелян А.К., Афанасьев А.А. Вентильные электрические машины и регулируемый электропривод. Книга 1

Подождите немного. Документ загружается.

341

Рис. 7.21. Опытные осциллограммы асинхронного пуска возбуж-

денной синхронной машины от непосредственного преобразователя

с выходной частотой 3,75 Гц (обозначение кривых — из рис. 7.8)

Осциллогрàммà рис. 7.21 ïокàзыâàет, что ïри чàстоте 3,75

Гц имеет место шàгоâый режим дâижеíия — ротор, достигíуâ

íекоторой мàксимàльíой скорости âрàщеíия, зàтем тормозится

до ïолíой остàíоâки. При меíьших чàстотàх режим дâижеíия

роторà близок к шàгоâому.

Из осциллогрàммы рис. 7.20 следует, что ýлектрическàя чàс-

тотà âрàщеíия роторà 

зà âремя ïускà 0,2 с (зà ïолоâиíу

ïериодà âыходíого íàïряжеíия ПЧ) ïри крàтíости токà

 1 достигàет 18

-1

, которое ïреâосходит критическое.

При ïуске с зàкорочеííой обмоткой âозбуждеíия и ïри-

мерíо с тàкой же крàтíостью токà (см. рис. 7.16) ýтà ско-

рость достигàется через 1,1 с.

При âключеíии â цеïь âозбуждеíия рàзрядíого соïро-

тиâлеíия, кàк ïокàзыâàют рàсчеты, углоâую ýлектрическую

скорость â 18

-1

можíо достигíуть зà те же 0,2 с, íо ïри

íесколько большей крàтíости ïускоâого токà (

 1 5, ).

342

Тàким обрàзом, с точки зреíия иíтеíсиâíости рàзгоíà

СМ сïособы àсиíхроííого ïускà кàк с рàзрядíым соïротиâ-

леíием, тàк и с âозбуждеííым ротором ïримерíо ýкâиâà-

леíтíы.

С уâеличеíием мощíости СМ àсиíхроííый ïуск с âоз-

буждеííым ротором может окàзàться более ýффектиâíым,

тàк кàк, âо-ïерâых, мощíые СМ облàдàют ïоíижеííой кри-

тической скоростью (из-зà сíижеíия âыходíой чàстоты ПЧ

уâеличиâàется рàзгоííый âремеííой иíтерâàл с ïоложи-

тельíой (дâигàтельíой) состàâляющей ýлектромàгíитíого

момеíтà, обуслоâлеííой ïриíуждеííым током âозбужде-

íия), âо-âторых, из-зà отíосительíого умеíьшеíия àктиâíо-

го соïротиâлеíия ïускоâой обмотки ïотребíàя крàтíость

ïускоâого токà ïри ïуске с íеâозбуждеííым ротором уâели-

чиâàется.

Выводы

1. Для уâеличеíия иíтеíсиâíости рàзгоíà сиíхроííой

мàшиíы от стàтического ïреобрàзоâàтеля чàстоты àсиíхроí-

íым методом до скорости âрàщеíия íе íиже критической

целесообрàзíо обмотку âозбуждеíия зàмыкàть íà рàзрядíое

соïротиâлеíие.

2. Нàмàгíичиâàющий ток, ïротекàющий âо âторичíой

обмотке ïромежуточíого трàíсформàторà â бестокоâую ïàузу

для ïерâичíой обмотки, уâеличиâàет рàбочий ток сиíхроí-

íой мàшиíы и ее ýлектромàгíитíый момеíт ïри àсиíхроí-

íом ïуске.

3. С точки зреíия иíтеíсиâíости рàзгоíà сиíхроííой

мàшиíы сïособы àсиíхроííого ïускà кàк с рàзрядíым со-

ïротиâлеíием, тàк и с âозбуждеííым ротором ïримерíо ýк-

âиâàлеíтíы.

4. Сиíхроííàя мàшиíà может быть рàзâерíутà до крити-

ческой скорости âрàщеíия через ïромежуточíый трàíсфор-

мàтор ïо схеме âеíтильíого дâигàтеля с дàтчиком ïоложеíия

роторà ïри зàдàííой крàтíости ïускоâого токà зà âремя â

3—5 рàз меíьшее, чем ïри àсиíхроííом ïуске от ïреобрàзо-

âàтеля чàстоты. Пуск сиíхроííой мàшиíы ïо схеме âеí-

тильíого дâигàтеля яâляется íàиболее ýффектиâíым.

343

7.4. Частотный пуск синхронной машины с имитатором

датчика положения ротора

7.4.1. Постановка задачи

Стàтические ïреобрàзоâàтели чàстоты (ПЧ) исïользуются

для чàстотíого ïускà сиíхроííых мàшиí (СМ). Этот метод

ïускà особеííо ýффектиâеí ïри «зàâисимой» сиíхроíизàции

âыходíого íàïряжеíия ПЧ, когдà коммутàция фàзíых цеïей

СМ осущестâляется ïо сигíàлàм дàтчикà ïоложеíия роторà

(ДПР) [224].

С учетом требуемой иíтеíсиâíости рàзгоíà, мощíости ïи-

тàющей сети и доïускоâ íà кàчестâо ее íàïряжеíия âозможíà

оргàíизàция ïускà с той или иíой фиксироâàííой крàтíостью

ïускоâого токà СМ, â котором ïрàктически отсутстâует реàк-

тиâíàя состàâляющàя, íеблàгоïриятíо âлияющàя íà ïокàзàтели

ïускà. Для реàлизàции укàзàííого режимà СМ (режимà âеí-

тильíого дâигàтеля) с «дозироâàííыми» зíàчеíиями ïускоâого

токà и ýлектромàгíитíого момеíтà требуется ïримеíеíие

фуíкциоíàльíого ýлемеíтà — ДПР, ïредстàâляющего сïеци-

àльíое, обычíо ïрецезиоííое, устройстâо, мехàíически соïря-

гàемое с âàлом СМ. Одíàко устàíоâкà ДПР â мощíых СМ сâя-

зàíà с оïределеííыми зàтрудíеíиями коíструктиâíого, комïо-

íоâочíого и ýксïлуàтàциоííого хàрàктерà. Поýтому ïоиск ïу-

тей зàïускà СМ ïо схеме âеíтильíого дâигàтеля, íо без ДПР,

ïредстàâляет зíàчительíый ïрàктический иíтерес.

Для рàзгоíà мощíых СМ исïользуются дâухмостоâые ПЧ со

зâеíом ïостояííого токà, â которых осущестâляется ïриíуди-

тельíàя коммутàция токà â âеíтилях íà мàлых чàстотàх âрàще-

íия, íе ïреâышàющих íекоторый критический уроâеíь (ïер-

âый учàсток рàзгоíà), и естестâеííàя коммутàция зà счет ЭДС

âрàщеíия якоря ïри чàстотàх âыше критической (âторой учà-

сток рàзгоíà) [202]. Кàк изâестíо, íà âтором учàстке роль ДПР

может âыïолíять сàмà âозбуждеííàя обмоткà якоря. Нà ïерâом

же учàстке, когдà ЭДС âрàщеíия âíàчàле отсутстâует, коммутà-

ция âеíтилей осущестâляется ïо сигíàлàм ДПР ïутем ïереâодà

сетеâого мостà ПЧ â иíâерторíый режим.

В íàстоящем ïàрàгрàфе рàссмàтриâàются âозможíые âà-

риàíты оргàíизàции íàчàльíого дâижеíия роторà до крити-

344

ческой чàстоты âрàщеíия, â которых íе ïредусмàтриâàется

исïользоâàíие яâíого ДПР.

7.4.2. Применение тахогенератора для определения углового

положения ротора

Отïирàющие имïульсы â целях уïрàâлеíия тиристорàми

ПЧ формируются â фуíкции углоâой коордиíàты роторà



(



— угол â ýлектрических рàдиàíàх между мàгíитíыми ося-

ми «

» роторà и фàзы «

» обмотки якоря). Учитыâàя, что

   



, (7.21)

где 

— ýлектрическàя чàстотà âрàщеíия роторà СМ, из-

меряемàя тàхогеíерàтором ïостояííого токà (ТГ),

можем с ïомощью оïерàциоííого усилителя, рàботàющего â

режиме иíтегрàторà, ïолучить угол



, если изâестíо его íà-

чàльíое зíàчеíие 

. Для оïределеíия углà 

исïользуем

âеличиíы íàïряжеíий â фàзàх рàзомкíутой обмотки якоря

ïри измеíеíии токà â обмотке âозбуждеíия íеïодâижíого

роторà ïо сиíусоидàльíому зàкоíу с чàстотой



Из изâестíых оïерàторíых сâязей для íеïодâижíой СМ:









u p p p

d d

   ;















d f

p G p u p

  ,

будем иметь

u u

a d

 cos 

;





u u

b d

 cos  

2 3 ;





u u

c d

 cos  

2 3 ,

(7.22)

где









u U j G j e

d fm

j t

 Re  



;

— àмïлитудà ïеремеííого íàïряжеíия, ïодàííого

íà обмотку âозбуждеíия СМ.

345

Нà комïлексíой ïлоскости, âещестâеííàя ось которой

соâïàдàет с мàгíитíой осью фàзы «

» обмотки якоря, изо-

брàжàющей âектор íàïряжеíия якоря оïределяется урàâ-

íеíием [276]



 

  



2 3 2 3

u u e u e

a b

 

. (7.23)

После ïодстàíоâки (7.22) â (7.23) легко íàйти:

u u e u





 Re

;

u u J e

u u

d m

b c





 



Эти âырàжеíия ïозâоляют âычислить угол 

ïо формулàм:





 



 

  

 

  











arctg ,

u u u

s s s

;

(7.24)

Включеíие обмотки âозбуждеíия íà ïеремеííое íàïря-

жеíие с целью оïределеíия íàчàльíого углà 

ïроизâодит-

ся íеïосредстâеííо ïеред ïуском СМ.

Тàким обрàзом, урàâíеíия (7.21), (7.24), решàемые àíàло-

гоâыми или цифроâыми âычислительíыми средстâàми, дàют

âозможíость фиксироâàть углоâое ïоложеíие роторà СМ без

исïользоâàíия ДПР. Вычислительíое устройстâо, решàющее

ýту зàдàчу, можíо íàзâàть имитàтором ДПР.

7.4.3. Имитатор датчика положения ротора с использованием

выпрямленного напряжения на шинах машинного моста

преобразователя частоты

При оïределеíии углоâого ïоложеíия роторà ïо формуле

(7.21) можíо исïользоâàть âместо íàïряжеíия тàхогеíерàто-

рà ЭДС âрàщеíия обмотки якоря СМ. Нà ïерâом учàстке

ïускà целесообрàзíо оргàíизоâàть тàкой режим ïереключе-

346

íия âеíтилей ПЧ, ïри котором отсутстâует ïродольíàя со-

стàâляющàя осíоâíой гàрмоíики токà якоря. Для âыïолíе-

íия ýтого услоâия, ïри котором íàблюдàется миíимум ïуль-

сàций токà и ýлектромàгíитíого момеíтà СМ, íужíо обес-

ïечить «ïриâязку» отïирàющих имïульсоâ âеíтилей мàшиí-

íого мостà ПЧ к углоâому ïоложеíию роторà â соотâетстâии

с рàâеíстâом

 

вк

6 , (7.25)

где 

âк1

— углоâое ïоложеíие роторà ïри âключеíии ïерâого

âеíтиля мàшиííого мостà ПЧ

При âыïолíеíии рàâеíстâà (7.25) отсутстâуют короткие зà-

мыкàíия фàз СМ íà иíтерâàлàх «гàшеíия» ïостояííого токà

иíâерторà, когдà одíоâремеííо с íàчàлом ýтих иíтерâàлоâ

ïодàются отïирàющие имïульсы íà âключеíие следующих

очередíых âеíтилей. В ýтом случàе íà ïерâом учàстке ïускà

â цеïь ïостояííого токà будут âключàться только дâе фàзы

обмотки якоря СМ. Аíàлогичíый режим может быть âыдер-

жàí и ïри углàх âключеíия ïерâого âеíтиля, отличíых от

(7.25), если отïирàющие имïульсы íà âключеíие очередíых

âеíтилей будут ïодàâàться только ïосле сïàдà до íуля âход-

íого токà иíâерторà

. Тàким обрàзом, можíо считàть, что

íà ïерâом учàстке ïускà íàïряжеíие íà шиíàх ïостояííого

токà мàшиííого мостà ПЧ âсегдà рàâíо лиíейíому íàïря-

жеíию СМ. Нàïример,

Нумерация вентилей ПЧ стандартная: номер один имеет вентиль

катодной группы, связанный с цепью фазы «a» СÌ.

Угол



вк

может рассматриваться как параметр управления ма-

шинным мостом ПЧ, задаваемый ДПР или имитатором ДПР. Для

него справедливо равенство,

  

âк1

6  , (7.26)

где

    

1 1 0



;



I E

m m

;



;



комплексные амплитуды первой гармоники тока и

ЭДС холостого хода обмотки якоря СÌ.

347

u u u

a b

  

 



























 







































3

3 3

r i

d b



  





  



р р

sin cos ,

(7.27)

где

— àктиâíое соïротиâлеíие фàзы обмотки якоря.

Цеïь уïрàâлеíия сетеâым мостом ПЧ охâàтыâàется об-

рàтíой сâязью, обесïечиâàющей ïри ïуске зàдàííую крàт-

íость «глàдкой» состàâляющей ïостояííого токà

. При

ïостояíстâе ïускоâого токà ïерâые âремеííые гàрмоíики

ïотокосцеïлеíий якоря 

и 

могут считàться íеизмеí-

íыми, и урàâíеíие (7.27) ïозâоляет оïределить ЭДС íà зà-

жимàх âеíтильíого коллекторà, àíàлогичíую, ïо ïроисхож-

деíию, ЭДС дâигàтеля ïостояííого токà:

q d

sin cos  













 

























3 3

  



 



. (7.28)

Формулà (7.28) ïолучеíà для одíого ïускоâого циклà с âоз-

можíой мàксимàльíой длительíостью  3 рàдиàí, íà кото-

ром â цеïь ïостояííого токà âключеíы фàзы «

» и «

» об-

мотки якоря. Аíàлогичíые âырàжеíия для

имеют место

для ïоследующих циклоâ, сдâиíутых íà угол





  

1 3

(



1 2, ... — íомер циклà) отíосительíо рàссмотреííого цик-

лà. В ýтих âырàжеíиях âместо углà



фигурирует угол







Формулà (7.28) ïокàзыâàет, что ïри ïостояíстâе чàстоты

âрàщеíия ЭДС

содержит ïостояííую и ïеремеííую со-

стàâляющие, ïричем ïерâàя ïрямо ïроïорциоíàльíà 

Следоâàтельíо, íàïряжеíие

, ïосле âычитàíия из íего

ïàдеíия íàïряжеíия â àктиâíых соïротиâлеíиях дâух фàз

СМ, может исïользоâàться, â соотâетстâии с формулой

(7.21), для рàсчетà углоâого ïоложеíия роторà. Имитàтор

ДПР рàссмотреííого тиïà íàзоâем имитàтором 2, â отличие

348

от имитàторà 1, â котором ïримеíеí яâíый тàхогеíерàтор

ïостояííого токà.

7.4.4. Имитатор датчика положения ротора на основе

моделирования уравнения движения ротора синхронной ма-

шины

Иíформàция о текущем зíàчеíии углоâой коордиíàты

роторà может быть ïолучеíà с ïомощью решеíия имитàци-

оííого урàâíеíия момеíтоâ íà âàлу СМ [157]. Учитыâàя, что

из формулы (7.21) следует





, (7.29)

урàâíеíие дâижеíия роторà зàïишется â âиде:

 

M M



 

. (7.30)

Урàâíеíия (7.29), (7.30) можíо рàссмàтриâàть кàк ïолíую

соâокуïíость диффереíциàльíых урàâíеíий дâухмерíой мо-

дели СМ, â которой дейстâует стàтический ýлектромàгíит-

íый момеíт, зàдàâàемый ïостояííой состàâляющей токà

âозбуждеíия и ïерâой гàрмоíикой токà якоря â соотâетстâии

с формулой

M M p

  

2 3











(7.31)

 

   





















i k i i i

L L

fd fd

d q

í c ï ï ï И

cos sin





2 3

2 ,

где 

— ток âозбуждеíия íезàâисимой обмотки âозбужде-

íия ïо ïродольíой оси, ïриâедеííый к обмотке якоря;

349

— коýффициеíт ïриâедеíия ïоследоâàтельíой об-

мотки âозбуждеíия ïо ïродольíой оси к обмотке якоря

(ïри отсутстâии тàкой обмотки следует ïриíять

 0 );

— коýффициеíт «íàстройки» момеíтà имитàторà, оï-

ределяемый ýксïеримеíтàльíо ïри ïробíых ïускàх СМ

При изâестíом момеíте соïротиâлеíия íà âàлу СМ, ïред-

стàâляемом â âиде íелиíейíой фуíкции





M M

с с

 

дâойíое иíтегрироâàíие урàâíеíия (7.30) ïозâолит оïреде-

лить углоâую коордиíàту роторà



. Вычислительíое устрой-

стâо, реàлизующее ýту зàдàчу, будем рàссмàтриâàть кàк ими-

тàтор ДПР—3. При ýтом рàсчет момеíтà имитàторà ïо фор-

муле (7.31) может ïроизâодиться с исïользоâàíием реàльíых

физических токоâ

С ïомощью числеííой модели âеíтильíого дâигàтеля

рàзмерíостью 14 [50] íà ЭВМ ЕС—1022 оцеíиâàлись ïо-

грешíости оïределеíия âеличиí



; 

;

íà дâухмерíой

модели имитàторà 3. В кàчестâе исходíых дàííых â ïро-

грàмму рàсчетà были зàложеíы ïàрàметры лàборàторíого

мàкетà âеíтильíого дâигàтеля мощíостью 28 кВт с дâухмос-

тоâым ПЧ, ïàрàметры которых ïриâедеíы â [56]. В âиде от-

дельíой ïодïрогрàммы былà зàдейстâоâàíà числеííàя мо-

дель имитàторà 3, â которой рàсчет момеíтà имитàторà ïо

формуле (7.31) âыïолíялся с исïользоâàíием токоâ

íàйдеííых из осíоâíой ïрогрàммы. Результàты рàсчетà ïри

 0 75, , ïредстàâлеííые íà рис. 7.22, ïокàзыâàют, что

имитàтор 3 имеет чàстоту âрàщеíия и момеíт, которые мàло

отличàются от àíàлогичíых âеличиí СМ, ïолучеííых ïо ос-

íоâíой ïрогрàмме. Тàк, íà íàчàльíом учàстке ïускà дли-

тельíостью 0,2 с, когдà СМ рàзâорàчиâàется до чàстоты âрà-

Коэффициент

может учитывать результирующее действие ус-

покоительной обмотки СÌ и реальные особенности кривой момен-

та сопротивления на ее валу.

350

щеíия, состàâляющей 9% от сиíхроííой, рàсхождеíие чàс-

тот âрàщеíия имитàторà 3 и роторà СМ íе ïреâосходит 10%.

Для момеíтà âремеíи

 0 2, c из рàсчетà íà ЭВМ имеем



, 27 8

-1

. Оïытíàя же осциллогрàммà рис. 7.24, â для

ýтого âремеíи дàет зíàчеíие 

, 281

-1

Следует зàметить, что ïри зíàчеíии

 1 имитàтор бу-

дет иметь чàстоту âрàщеíия меíьшую, чем СМ (  

р ри

 ).

Тàкой режим дâижеíия имитàторà 3 обесïечиâàет ýффект

сàмосиíхроíизàции СМ [157], тàк кàк ïри уходе ее роторà

âïеред ïо отíошеíию к «ротору» имитàторà (  

) ýлек-

тромàгíитíый момеíт СМ сíижàется из-зà уâеличеíия углà

отïирàíия тиристороâ мàшиííого мостà ПЧ. Это обстоя-

тельстâо ïриâодит к зàмедлеíию чàстоты âрàщеíия СМ, âы-

зыâàющему âырàâíиâàíие углоâых коордиíàт роторà и ими-

тàторà (  

Рис. 7.22. Расчетные осциллограммы пуска синхронной машины с

имитатором 3 (



ри

, M

— частота вращения и момент имитатора)